Quand les centrales à fusion apparaîtront-elles? Le plus souvent, les scientifiques disent quelque chose comme «dans 20 ans, nous résoudrons tous les problèmes fondamentaux». Les ingénieurs de l'industrie nucléaire parlent de la seconde moitié du 21e siècle. Les politiciens parlent d'une mer d'énergie propre pour un sou, sans se soucier des dates. Les économistes disent jamais.
Créateurs du premier tokamak T-1 Artsimovich au monde, Yavlinsky a également promis des centrales électriques dans 20 ans.Les gens ont tendance à faire des prédictions en extrapolant à partir de l'expérience. Dans le cas des tentatives de création d'une centrale thermonucléaire commerciale, l'expérience est négative - 60 ans d'efforts ont conduit à un demi-succès - il y a quelque chose, mais ce n'est clairement pas quelque chose qui peut être utilisé tous les jours pour produire de l'électricité. L'intuition dit que si en 60 ans nous n'avons pas surmonté ce mur, alors à l'avenir, il ne faut pas s'attendre à quelque chose de bien.Et en vain. Parce que la quantité de technologie et de connaissances est en constante augmentation, y compris sur le plasma et sa rétention. À un moment donné, nos connaissances seront suffisantes pour que dans le processus ordinaire et routinier d'investissement dans le développement de la technologie, sans prouesses spéciales, l'énergie thermonucléaire devienne possible.
Voici, par exemple, un exemple de routine de travail sur une installation Tri Alpha Energy C-2U“” . , , . , , , “ ”, “”, “”.
Les plans officiels de l'Europe, même sous une forme très optimiste, promettent un prototype de centrale thermonucléaire d'ici 2050. Y a-t-il des options pour que quelqu'un le fasse plus tôt?Aujourd'hui, psychologiquement la plus proche de la construction de centrales thermonucléaires estLa société californienne Tri Alpha Energy (TAE). Il y a une équipe de 150 personnes, parmi lesquelles de nombreux éminents physiciens plasmistes sont placés dans des conditions où ils doivent tous les 2-3 ans montrer une nouvelle réalisation dans les grandes lignes du mouvement vers une centrale thermonucléaire commerciale. En fait, il a établi un plan de découvertes dans le domaine de la physique des plasmas. Le revers de cette pression est le rythme insensé de la traduction des idées des scientifiques - sa configuration expérimentale plutôt large Tri Alpha peut facilement être mise à niveau en un mois après l'émergence de nouvelles idées - par rapport aux années pour les établissements universitaires et universitaires.Une vidéo intéressante de TAE est la restauration de l'image de ce qui se passe avec le plasma dans l'installation C-2U. Faites attention à la minuterie en haut à gauche - il devient clair que le maintien du plasma sans décroissance de 8000 microsecondes (le record actuel) est assez long.L'idée sous-jacente au réacteur TAE est d'utiliser des vortex à plasma (appelés FRC - Field Reversed Configuration), qui ont la propriété de se retenir et d'autres avantages, tout en maintenant leur stabilité avec des injecteurs à faisceau neutre, est assez récent - à partir du milieu des années 90. Quoi qu'il en soit c'est plus récent que les idées d'un tokamak, d'un stellarateur ou d'un piège ouvert classique. Les FRC ont un ensemble de propriétés assez inhabituel, ce qui rend pratique l'utilisation de la réaction thermonucléaire H 1 + B 11 = 3 * He dans un tel réacteur4 (H 1 est ici l'hydrogène ordinaire, B 11 est l'isotope du bore le plus courant, et He 4 sont les particules alpha émises, d'où le nom de la société Three Alpha). Paradoxalement, c'est l'une des réactions thermonucléaires les plus difficiles à réaliser - elle nécessite des températures 15 fois supérieures à celles du deutérium-tritium «classique», et donc une pression de champ magnétique 15 fois plus élevée à maintenir et des exigences de pureté plus strictes plasma.
Le taux de différentes réactions thermonucléaires à la même densité en fonction de la température. Notez que l'échelle de gauche est logarithmique. À une température de 320 keV, le pB11 ne diffère presque pas du DHe3 et n'est que plusieurs fois plus lent que le DT classique.Cependant, FRC vous permet d'utiliser presque toute l'amplitude de la pression du champ magnétique, contrairement aux tokamaks, où vous ne pouvez utiliser que 10%. Le PB11 a ses avantages - les deux composants sont répandus et sûrs (contrairement au tritium radioactif et à l'isotope d'hélium He3 qui n'existent pas sur Terre, et si le tritium peut même être obtenu à partir du lithium, alors He3 ne peut être obtenu que quelque part dans l'espace), et de plus, la réaction ne produit pas de rayonnement neutronique puissant. Pour un réacteur DT, le rayonnement neutronique qui absorbe 86% de l'énergie d'une réaction thermonucléaire sera un véritable fléau, détruisant et activant rapidement les matériaux de structure. Pour pB11, la puissance neutronique sera ~ 0,1% de la puissance du réacteur par des réactions secondaires.
FRC — . , TAE , , TAE ., pB11, . — , , , . D + He3 — ( — 1-4% ) 3, (, , ? - , ).
Pour les investisseurs, TAE dresse déjà un premier aperçu d'un réacteur à fusion (électrique) de 380 mégawatts. Les plans pour construire cinquante de ces centrales dans les années 2030L'hydrogène et le Bor-11 sont plus abordables que le combustible nucléaire - l'uranium 235 ou le plutonium 239.Tri Alpha, ayant réuni des experts au niveau des meilleurs centres mondiaux pour l'étude du plasma thermonucléaire, avance très vite. Ce n'est qu'en 2015 que les tourbillons FRC se sont révélés être soutenus sans se désintégrer à l'aide de puissants faisceaux tangentiels de particules neutres - l'une des déclarations clés du physicien fondateur de l'entreprise, Norman Rostoker. Et maintenant, ils construisent une nouvelle installation, où une augmentation de 30 fois le triple paramètre (le produit de la densité, de la température et du temps de rétention - les principales propriétés qui déterminent le rendement énergétique de la réaction thermonucléaire) du plasma devraient être atteints. Si TAE attend à nouveau le succès, alors cette installation permettra de retrouver la soi-disant mise à l'échelle - la dépendance empirique du triple paramètre aux caractéristiques de l'installation (taille, champ magnétique, puissance des injecteurs neutres, etc.). Et la mise à l'échelle, à son tour,cela nous permettra déjà de déterminer avec une grande précision s'il est vraiment possible de fabriquer un réacteur basé sur l'idée Tri Alpha, ou s'il sera inaccessible.
, TAE — C2W, 8 , FRC 1-3 ~30 , , .
— , , . Q pB11 — .Il est intéressant de noter que, de cette manière, la nature fait parfois surgir non seulement des difficultés, mais aussi des cadeaux. Par exemple, dans tous les manuels, il est écrit que la réaction thermonucléaire hydrogène-bore (p + B11 -> He4 + He4 + He4) dans un plasma optiquement transparent perdra toujours plus d'énergie qu'il n'en émet, c'est-à-dire pour le maintenir, un chauffage externe est nécessaire - un chemin dans le cas idéal et une quantité relativement faible ~ 15% de la puissance d'un réacteur thermonucléaire. Cette caractéristique désagréable de pB11 est assez facilement calculée à partir de la section efficace (probabilité) de la réaction lors de la collision d'un proton et d'un ion bore et du calcul des pertes électromagnétiques lors de la diffusion d'électrons chauds (et pB11 nécessite une température 20 fois supérieure à la réaction ITER D + T-> He + n). Ainsi, de nouvelles mesures plus précises de la section efficace de réaction pB11 ont montré que la section efficace est plus élevée qu'on ne le pensait auparavant.À certaines températures, selon de nouvelles données, la fusion génère plus d'énergie dans cette réaction que ce qui est perdu! Il est intéressant de voir comment les manuels de physique correspondent.
pB11 ().
, — ( ) ( ) , — ( ), .Cependant, la distance que Tri Alpha doit couvrir est toujours très grande - même si la mise à l'échelle est précise, il est nécessaire d'augmenter la qualité de rétention d'un facteur de centaines - la pression du champ magnétique, la puissance et le temps de fonctionnement de NBI et de tous les autres systèmes. L'équipe TAE pourrait bien être confrontée à un problème typique des usines de fusion - elles deviennent trop grandes, complexes et se déplacent trop lentement sur le chemin des réacteurs commerciaux. En ce qui concerne les chiffres, je dois dire que maintenant le record de température FRC est légèrement inférieur à mille eV, et il est nécessaire - 320 000 eV. Le temps de rétention d'énergie est de quelques millisecondes et cela prend des dizaines de secondes. La densité est également au moins dix fois inférieure aux paramètres nécessaires dans une installation industrielle. Une partie de cela peut être surmontée simplement en augmentant la taille et la puissance du réacteur,mais une partie devra être augmentée qualitativement - en améliorant la pureté du plasma, l'efficacité des systèmes de support, en trouvant de nouveaux modes de fonctionnement plasma plus performants.
Un autre travail de l'artiste sur le thème de l'apparition possible de futures voitures TAE.
L'image avec un astérisque - différentes versions de la première machine thermonucléaire Tri Alpha - avec un confinement meilleur et pire. Le temps de rétention FRC est de 7 à 30 secondes (pas des millisecondes!), Vous aurez besoin de systèmes d'alimentation en carburant FRC, pompant les "cendres" d'hélium qui "obstruent la chambre de combustion", les nouveaux injecteurs à faisceau neutre mégavolt en cours de développement à l'INP de Novossibirsk et un peu de chance, pour que le plasma n'a pas jeté les prochains fortels.Tri Alpha prévoit de suivre cette voie (vers le prototype de la centrale) dans 5 installations et environ 15 ans, et a reçu environ un demi-milliard de dollars de divers investisseurs dans ce travail .
Photo de l'intérieur de l'installation C-2U déjà démontée. Soit dit en passant, le travailleur ne s'est pas habillé comme ça pour que tout le monde comprenne sa fraîcheur, mais ne laisse pas de matières organiques sur les parois internes de la chambre - le plasma est extrêmement sensible à la qualité du vide et de la saleté, et un cheveu dans une chambre à vide peut ne pas permettre une expérience.Mais je ne parlais pas en vain de psychologie. Alors que l'équipe TAE mange avec confiance à travers les yeux des investisseurs, d'autres spécialistes qui se sont brûlés à plusieurs reprises sur des prévisions parlent plus modestement des perspectives actuelles de l'énergie thermonucléaire. Cependant, des idées théoriques récentes à l'Institut de physique nucléaire. Les Budkers de Novossibirsk, s'ils sont confirmés dans l'expérience, peuvent grandement simplifier le travail de création d'un réacteur thermonucléaire, en réduisant sa taille et sa complexité de plusieurs fois.Avant d'en parler, je voudrais encore une fois m'attarder sur un point intéressant. Imaginez que depuis de nombreuses décennies vous donnez de l'argent aux physiciens thermonucléaires dans le cadre des plans fermes d'une «centrale électrique dans 20 ans», et chaque fois qu'ils viennent et disent que «le plasma s'est avéré plus compliqué que nous ne le pensions, nous avons besoin de 20 ans de plus». Et puis ils viennent et disent "le plasma s'est avéré être plus compliqué que ce que nous pensions, alors nous avions une solution simple et bon marché, mais nous avons besoin de 20 ans." Que vas-tu y répondre? :)Nous parlons donc de deux idées théoriques possibles à ce jour - «bulle diamagnétique» et «pompage plasma par un champ magnétique hélicoïdal». La première consiste à gonfler une «bulle» du plasma dans un piège ouvert, augmentant ainsi essentiellement la quantité de plasma et sa pression - la direction idéale du mouvement si nous voulons réduire la perte d'énergie d'un plasma thermonucléaire. Il semblerait qu'une idée banale comporte plusieurs fonctionnalités délicates, dont la compréhension est apparue au cours des dernières décennies. Une telle bulle peut réduire la taille d'un réacteur thermonucléaire dans un piège ouvert d'un facteur de ~ 10. Une vérification expérimentale de cette idée est attendue dans les prochaines années.
Une «bulle» est vraiment une bulle. Le contour initial du plasma dans le piège de type GDL est tracé par une ligne bleue.
Une coupe schématique d'un piège GDL ouvert, sur la base de laquelle l'idée d'une «bulle» est née, et à laquelle une réduction significative de la taille d'un réacteur à énergie est applicable si cette idée fonctionne.Puisque nous parlons de pièges ouverts — , “ ” - — , 21 , (.. — ). , . , “ ” — , “” , , . , .
Diagramme schématique de l'installation de résine - à gauche est un pistolet à plasma, au milieu est un système magnétique en spirale, à gauche est un expanseur de réservoir avec un électron segmenté, ce qui crée un gradient électrique dans le plasma, ce qui le tord. Le système de vis peut être activé «le long» et «contre» le plasma.La chose la plus intéressante est que l'installation RESOL de vérification de la «rétention des vis» va déjà à l'INP, et peut-être qu'au printemps 2017 il sera possible de voir les premiers résultats. Encore une fois - pendant 50 ans, ce problème ne nous a pas permis de construire et de construire un réacteur thermonucléaire basé sur un piège ouvert (en toute équité - ainsi que d'autres problèmes physiques et la masse d'ingénierie qui attendent toujours), et pourrait être fermé dans une expérience physique plutôt routinière l'année prochaine.
Un article de 1958 sur un «Stellarator promettant un bond significatif dans la génération d'énergie utilisable à partir d'une fusion thermonucléaire contrôlée».Pour résumer, je rappellerai encore une fois la psychologie. Au cours des 30 dernières années, les gens se sont habitués à l'idée que l'énergie de fusion n'est au moins pas économiquement justifiée, et peut-être directement interdite pour des raisons techniques ou physiques. Nous nous sommes habitués à cette époque où les succès des physiciens sur cette voie étaient à demi enthousiastes, et les conceptions proposées de réacteurs thermonucléaires n'étaient pas viables. Maintenant peut-être que nous entrons dans la prochaine ère où nous devons nous sevrer du fait que les centrales électriques à fusion sont impossibles. Lorsqu'elles sont rejetées il y a 40, voire 60 ans, avec une nouvelle compréhension du plasma et des capacités techniques (par exemple, les supraconducteurs ou les systèmes de contrôle numérique), la lumière verte s'allume soudainement.